低溫橡膠密封件摩擦磨損性能試驗

任亞斐， 鄂繼明， 張 斌， 謝 文， 趙 健， 苗利蕾， 喬 旦， 周曉蕾

(1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司， 北京 100094； 2.中國國際工程咨詢有限公司， 北京 100048；3.中國科學院蘭州化學物理研究所 固體潤滑國家重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000)

引言

氣動電磁換向閥是氣動系統(tǒng)中最常見的元件，其中，橡膠密封件是直接影響閥門性能的關(guān)鍵部件[1]。低溫橡膠材料在各大行業(yè)中的應用也越來越廣泛，尤其是在高寒地區(qū)和各軍工領(lǐng)域之中[2-3]。橡膠材料的摩擦磨損性能直接影響到其密封性和產(chǎn)品壽命可靠性[4-5]。針對-40～+70℃的使用環(huán)境，介質(zhì)為壓縮空氣，并伴隨介質(zhì)中可能出現(xiàn)的柴油、機油等油霧污染以及長壽命等要求，橡膠材料的選用以及與橡膠材料配對的密封表面的選用就直接影響到橡膠材料的密封特性以及壽命[6-7]。本研究通過仿真分析確定密封面正壓力和密封壓縮率，基于此結(jié)果開展不同配副之間的摩擦磨損試驗驗證，獲得不同參數(shù)條件下的摩擦系數(shù)變化規(guī)律以及橡膠材料的磨損情況，為后續(xù)的密封副、摩擦副設(shè)計提供技術(shù)支撐和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1 密封力確定

影響密封最主要的2個因素為密封應力和橡膠材料的壓縮率[8-10]。壓縮率作為工程中定義密封設(shè)計指標的關(guān)鍵參數(shù)，通常依靠工程經(jīng)驗確定，過小的壓縮率會導致密封失效，耐久性較低；過大的壓縮率則容易造成推動力大，磨損嚴重。根據(jù)多年工程經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累，在該項目中的壓縮率為12%。

在確定壓縮率后，通過仿真分析，初步確定在此壓縮率條件下的橡膠材料密封應力是否滿足實際工況。采用ADINA軟件對特征結(jié)構(gòu)進行額定壓縮率條件下的密封應力仿真。考慮到本研究提出的氣動電磁換向閥為軸對稱結(jié)構(gòu)，故采用二維平面結(jié)構(gòu)模型對其密封應力進行仿真，以獲得接觸面的密封應力。圖1為閥芯與閥腔內(nèi)孔的二維仿真模型。在仿真模型中，橡膠材料選用Mooney-Rivlin 材料本構(gòu)模型，施加約束為沿橡膠密封件表面法向方向施加位移約束，該位移為橡膠材料的壓縮量，通過對邊界層網(wǎng)格進行局部加密處理，提高計算結(jié)果的準確性。低溫工況下，初步選取橡膠材料的硬度為72 HA，模型材料常數(shù)C10為0.995 N/mm2，C01為0.020 N/mm2，壓縮量為0.12 mm。計算獲得的密封應力云圖如圖2所示，密封面的密封應力為1.6 MPa， 滿足密封比壓要求。 根據(jù)密封應力仿真計算結(jié)果和橡膠與內(nèi)腔等效接觸面積計算得出密封件所

1.閥芯骨架 2.硫化橡膠 3.閥體內(nèi)腔圖1 軸對稱仿真模型Fig.1 Axisymmetric simulation model

圖2 應力云圖Fig.2 Cloud diagram of stress

受正壓力約為10 N。

1.2 試驗材料確定

耐油橡膠是指耐非極性油的橡膠材料，主要是極性橡膠，包括丁腈橡膠、氟橡膠等，各種橡膠材料由于其分子鏈結(jié)構(gòu)的特點，呈現(xiàn)出不同的性能，在大多數(shù)情況下，橡膠分子鏈中的官能團對耐油性能和低溫性能的影響都是互相矛盾的[11-13]。

試驗材料主要包括不同的橡膠材料、不同的鋁球及Krytox 240AZ潤滑脂，其中橡膠材料主要包括四種類型，分別是耐磨丁腈橡膠(A-4-1-J18)、普通丁腈橡膠(DQ370)、氫化丁腈橡膠(HNBR5080)及氟醚橡膠(FM-1)；鋁球主要包括兩種類型，分別是化學鍍鎳球和硫酸陽極氧化球；鋁球基體采用同一批次零件，確保二者基體尺寸和精度保持一致。根據(jù)摩擦磨損試驗機對樣件的要求，橡膠墊材料為20 mm×20 mm×2 mm均勻厚度試驗件，鋁球為Φ3 mm圓球。Krytox 240AZ潤滑脂由中科院蘭州化物所提供。Krytox 240AZ潤滑脂是一種由全氟聚醚作為基礎(chǔ)油、聚四氟乙烯作為稠化劑的白色全合成氟素潤滑脂，在化學品及氧氣環(huán)境狀態(tài)下使用時不反應、不可燃且安全耐用。

1.3 實驗原理與試驗方法

為了獲得不同密封配副下的摩擦磨損關(guān)系，主要驗證在干摩擦條件與脂潤滑條件下的摩擦磨損情況。試驗方法：采用摩擦磨損試驗機，將金屬球正壓與被試件橡膠墊上，金屬球與橡膠之間進行往復直線運動。根據(jù)密封應力仿真計算結(jié)果施加正壓力為10 N，單向行程3 mm，運動頻率10 Hz，單次試驗時間30 min，本次試驗過程中摩擦磨損試驗機原理如圖3所示。

1.防護罩 2.裝載機構(gòu) 3.測試模塊 4.車身外殼5.鎖緊螺母 6.調(diào)整手輪 7.指針圖3 摩擦磨損機原理圖Fig.3 Schematic diagram of friction and wear machine

2 結(jié)果與討論

2.1 干摩擦試驗

干摩擦試驗中不添加潤滑脂， 將不同的橡膠材料和鋁球進行兩兩配副，對試驗完成后的試驗件進行稱重，獲得不同橡膠材料的失重情況，并對試驗過程中的摩擦系數(shù)進行實時記錄。

不同橡膠材料的摩擦磨損失重量如表1所示，具體的摩擦系數(shù)變化曲線分別如圖4所示。

表1 不同配副在干摩擦條件下的試驗結(jié)果Tab.1 Experimental results of different matching pairs under dry friction conditions

圖4 干摩擦條件下不同配副摩擦系數(shù)曲線Fig.4 Friction coefficient curves of different mating pairs under dry friction conditions

從表1可以看出不同配副在干摩擦的實驗條件下，不同橡膠材料均表現(xiàn)出一定的失重現(xiàn)象。具體來說，不同橡膠材料在與化學鍍鎳球?qū)δr，橡膠的失重順序為：氟醚橡膠FM-1>丁腈橡膠DQ370>氫化丁腈橡膠HNBR5080>耐磨丁腈A-4-1-J18，圖4a顯示不同橡膠材料的摩擦系數(shù)表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即與化學鍍鎳球配副時，失重量較小且摩擦系數(shù)較小的為耐磨丁腈橡膠A-4-1-J18，其次為HNBR5080橡膠材料。

當不同橡膠材料在與硫酸陽極氧化球?qū)δr，橡膠的失重順序為氟醚橡膠FM-1>耐磨丁腈橡膠A-4-1-J18>氫化丁腈橡膠HNBR5080>丁腈橡膠 DQ370，而圖4b顯示摩擦系數(shù)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律：氫化丁腈橡膠HNBR5080>丁腈橡膠DQ370>氟醚橡膠FM-1>耐磨丁腈A-4-1-J18，即與硫酸陽極氧化球配副時，失重量最小的是丁腈橡膠，其次為耐磨丁腈橡膠A-4-1-J18和氫化丁腈橡膠HNBR5080，而摩擦系數(shù)較低的為耐磨丁腈橡膠A-4-1-J18。

圖5和圖6所示為不同橡膠材料不同摩擦副經(jīng)歷摩擦磨損試驗后的表面形貌表征圖。從圖中可知氫化丁腈橡膠HNBR5080在試驗后，表面磨損最為均勻，未出現(xiàn)明顯表面剝落情況，丁腈橡膠DQ370和耐磨丁腈橡膠A-4-1-J18均出現(xiàn)一定程度的表層剝落現(xiàn)象，而氟醚橡膠出現(xiàn)瘤狀鼓包變形。同時，在硫酸陽極氧化與橡膠對摩情況表面磨損情況要優(yōu)于化學鍍鎳球與橡膠的磨損情況。

圖5 干摩擦條件橡膠材料與化學鍍鎳球磨損表面形貌Fig.5 Wear surface morphology of rubber material and electroless nickel plated ball under dry friction

圖6 干摩擦條件橡膠材料與硫酸陽極氧化球磨損表面形貌Fig.6 Wear surface morphology of rubber material and sulfuric acid anodized ball under dry friction

在上述不同的干摩擦實驗條件下，氟醚橡膠均表現(xiàn)出最大的失重量，說明氟醚橡膠的耐磨性最差。同時，不同橡膠材料與化學鍍鎳表面的鋁球?qū)δr的失重量略低于與硫酸陽極氧化球?qū)δr的失重量。

2.2 脂潤滑摩擦試驗

為了能夠進一步篩選出合適的氣動電磁換向閥用密封材料，在不同摩擦配副之間加入一定的潤滑劑，即在添加潤滑脂的前提下將不同的橡膠材料和鋁球進行兩兩配副。因氟醚橡膠在干摩擦的實驗條件下失重最大，因此在此部分實驗中不再涉及氟醚橡膠的配副，結(jié)果如表2所示，具體的摩擦系數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 脂潤滑條件下不同配副摩擦系數(shù)曲線Fig.7 Friction coefficient curves of different mating pairs under grease lubrication

從表2可以看出不同配副在添加潤滑脂的摩擦實驗條件下，耐磨丁腈橡膠和HNBR5080橡膠材料均表現(xiàn)出微量的失重現(xiàn)象，DQ370橡膠材料卻表現(xiàn)出微量的增重現(xiàn)象，原因可能是由于DQ370橡膠材料與240AZ潤滑脂具有一定的相容性，潤滑脂中少量潤滑油在橡膠中的浸入造成其增重，從側(cè)面反映了該橡膠材料的不適應性。但是整體分析橡膠材料在添加潤滑脂的前提下進行摩擦時產(chǎn)生的重量均是微量變化。同時不同橡膠材料分別與鋁球、硫酸陽極氧化球?qū)δr，失重量未表現(xiàn)出明顯差別。

表2 不同配副在添加潤滑脂條件下的試驗結(jié)果Tab.2 Experimental results of different matching pairs under condition of adding grease

從圖7的摩擦系數(shù)曲線變化規(guī)律可以看出，不同橡膠材料在與化學鍍鎳球、硫酸陽極氧化球?qū)δr，摩擦系數(shù)表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律：氫化丁腈橡膠HNBR5080<耐磨丁腈橡膠A-4-1-J18<丁腈橡膠DQ370。

如圖8和圖9所示，不同橡膠密封副在脂潤滑條件下，摩擦磨損性能大幅改善。橡膠表面出現(xiàn)輕微劃痕，且硫酸陽極氧化與化學鍍鎳對結(jié)合摩擦系數(shù)的變化規(guī)律和不同橡膠材料的重量變化可知， 在添加潤滑脂的條件下， 性能表現(xiàn)最佳的橡膠材料為氫化丁腈橡膠HNBR5080橡膠材料，其次為耐磨丁腈橡膠A-4-1-J18。

圖8 脂潤滑條件橡膠材料與化學鍍鎳球磨損表面形貌Fig.8 Wear surface morphology of rubber material and electroless nickel plated ball under grease lubrication

圖9 脂潤滑條件橡膠材料與硫酸陽極氧化球磨損表面形貌Fig.9 Wear surface morphology of rubber material and sulfuric acid anodized ball under grease lubrication

3 結(jié)論

(1) 在干摩擦的實驗條件下，氟醚橡膠表現(xiàn)出最大的失重量，說明其耐磨性最差，綜合性能表現(xiàn)較好的為耐磨丁腈橡膠A-4-1-J18和氫化丁腈橡膠HNBR5080。同時，不同橡膠材料與化學鍍鎳鋁球?qū)δr的失重量略低于與硫酸陽極氧化球?qū)δr的失重量；

(2) 在添加潤滑脂的實驗條件下，結(jié)合摩擦系數(shù)的變化規(guī)律和不同橡膠材料的重量變化可知，性能表現(xiàn)最佳的橡膠材料為氫化丁腈橡膠HNBR5080，其次為耐磨丁腈橡膠A-4-1-J18，而不同橡膠材料分別與表面鍍鎳鋁球、硫酸陽極氧化球?qū)δr，失重量未表現(xiàn)出明顯差別；

(3) 根據(jù)氣動電磁換向閥實際使用工況，結(jié)合干摩擦和添加潤滑脂的實驗結(jié)果，可選用性能表現(xiàn)較好的橡膠密封件材料為氫化丁腈橡膠HNBR5080和耐磨丁腈橡膠A-4-1-J18。